Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
6
Добавлен:
06.06.2015
Размер:
3.45 Mб
Скачать

Глава 11 Упаковка ДНК в хромосомах

Глава 11. Упаковка ДНК

 

Рисунок 11.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в хромосомах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2A

2 = 28000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2B

2 = 28000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВклеткахнебываетчистойДНК.Навсех

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H3

2 = 30000

этапахклеточногоцикламолекулыДНКвтойили

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H4

2 = 22000

 

200 ï.í. ÄÍÊ = 130000

 

 

 

 

 

 

иной степени упакованы в нуклеопротеиновые

 

 

 

 

Масса белка = 108000

 

Длина 67 нм

 

 

 

 

 

 

 

à

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

структуры. При этом, при формировании

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

митотическойхромосомы,ДНКэукариотической

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

клетки упаковывается в несколько тысяч раз “с

 

 

6 íì

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

такойточностью,чтовкаждомклеточномцикле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H1 = 24000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воспроизводятсяразмерыхромосом,отношения

 

 

 

 

 

 

 

11 íì

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плеч,особенностипродольнойдифференциации,

 

Глобулярная

 

 

 

подразделениенаэу-игетерохроматин,атакже

 

 

 

 

 

сердцевина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полосы, возникающие при дифференциальном

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COOH

 

 

окрашивании” (Gatti et al., 1983, p. 83).

á

H2N

 

 

 

 

 

Гистон H1

 

 

Несомненно, что в основе этой точности лежит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

какой-тоудивительныйпонадежностимеханизм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

компактизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.1. Нуклеосомы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фундаментальная

субъединица

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хроматина-нуклеосома-имеетодинитотже

 

 

Нуклеосома

 

 

 

тип организации у всех эукариот. Нити

 

 

 

 

 

 

 

H1 соединяется

 

 

нуклеосом находят в ядрах, обработанных

 

 

со специфическим

 

 

районом

 

 

растворами

низкой

ионной

ñèëû.

 

 

 

 

 

 

нуклеосомы

 

 

Индивидуальные нуклеосомы получают в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COOH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

результате переваривания хроматина

 

H2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

микрококковой нуклеазой - эндонуклеазой,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разрезающейнитьДНКмеждунуклеосомами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждая нуклеосома содержит примерно 200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п.н. ДНК, связанной с октамерной частицей,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

состоящей из белков-гистонов - по две копии

 

 

Нуклеосомы

 

 

Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Это сердцевинные

 

 

 

 

 

 

 

соединяются

 

 

 

 

посредством

 

 

(коровые) гистоны. Молекула гистона Н1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гистона H1

 

 

являетсямономером,онарасположенаснаружи

 

 

 

 

 

 

 

COOH

COOH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нуклеосомы, т.к. ее удаление не влияет на

 

H2N

H2N

 

 

 

структуручастицы(Рис.11.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нуклеосома имеет форму цилиндра,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вокругкоторогоДНКделаетдваоборота(Рис.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Участок

ÄÍÊ

между

двумя

Структура нуклеосомы (a) и взаимодействие

нуклеосомами называется линкером. Нить

гистона H1 и нуклеосом. а - Из: Lewin, 1994,

ДНК длиной 146 п.н. обматывается вокруг

p. 800; á - Èç: Alberts et al., 1994, p. 346.

октамера, еще около 50 п.н. приходится на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Когдаизучаютультраструктурухроматина

линкер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Более90%ДНКвклеткеприсутствуетв

под электронным микроскопом, обычно

составе нуклеосом. После упаковки ДНК в

находятдватипануклеопротеиновыхнитей:10

нуклеосомныеструктурыонаукорачиваетсяв

нм и 30 нм в диаметре. Первая представляет

6ðàç.

 

 

 

собойнитьизнуклеосом,расположенныхдруг

296

Упаковка ДНК в хромосомах

Глава 11

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.2

 

Дополнение 11.1

Нобелевская премия 1982 года была присуждена А. Клагу (A. Klug) за его вклад в анализ кристаллической структуры нуклеосом.

 

 

 

получаются мономерные фрагменты. Если

 

 

 

теперь изолировать ДНК и обработать

 

 

 

рестриктазой,котораяимеетединственныйсайт

 

 

 

рестрикциивэтоммономерномфрагменте,то

Схема расположения ДНК на белковой

получатсядвафрагментаДНК,каждыйсвоего

глобуле (коре) (Из: Lewin, 1994, p. 804).

размера.

Продукты

этого

двойного

Рисунок 11.3

 

 

переваривания разделяют в геле с помощью

 

 

электрофореза. Затем, используя зонд,

 

27A

 

 

 

представляющийпоследовательностьпоодну

 

 

 

 

 

 

сторону от сайта рестрикции, выявляют

 

 

 

соответствующий фрагмент. Если

íà

 

 

 

фореграмме выявляется один фрагмент, то

 

 

110A

нуклеосомы фазированы. Если получается

 

 

 

мазок, то фазирования нет

(Ðèñ. 11.4).

 

 

 

Результаты,полученныевтакихэкспериментах,

 

 

 

неподдаютсяоднозначнойинтерпретации.

 

 

 

 

Не совсем ясно, сохраняется ли

 

 

 

нуклеосомная укладка, когда ген начинает

 

 

 

транскрибироваться.Внеделящемся ядре, где

 

 

 

активно работает ряд генов, нуклеосомы

 

 

 

расположены

достаточно

строго

â

 

 

 

определенныхточкахвпромоторнойобласти.

57A

 

 

Присутствие нуклеосом вместо факторов

Структура нити хроматина диаметром 30 нм

транскрипциивобластипромотораподавляет

(Èç: Lewin, 1994, p. 812).

 

 

активность генов. Белки нуклеосом - гистоны

 

 

 

задругом.Нитьдиаметром30нмпредставляет

конкурируют с факторами транскрипции за

собойспираль,свернутуюизнитидиаметром

участки свободной от белков ДНК. Такие

10 нм. В каждом витке спирали находятся 6

участки могут образовываться в клетке сразу

нуклеосом (Рис. 11.3).

 

послерепликацииДНК.Еслигистоныуспеют

Вфибрилледиаметром30нмкоэффициент

образовать нуклеосомные структуры в

упаковкиДНКсоставляетпримерно36-40,т.е.

условиях, когда концентрация факторов

каждый микрометр вдоль оси этой нити

транскрипциинедостаточна,тогеноказывается

содержит40мкмДНК.

 

неактивным(репрессированным).Наоборот,при

Всистемеinvitroнуклеосомысобираются

достаточной концентрации факторов они

независимооттого,какиепоследовательности

успешноконкурируютсгистонамиивобласти

ДНКприсутствуют.

 

промотораобразуютспецифичнуюструктуру,

Не совсем ясным остается вопрос о том,

прилегаякРНК-полимеразе.

 

 

всегдалиспецифическиепоследовательности

В то же время гистоны не сходят

ДНК находятся в определенных позициях в

полностью с ДНК даже в активно

нуклеосоме

(феномен,

называемый

транкрибируемомхроматине.

 

 

фазированиемнуклеосом).

 

В некоторых генах, например, в блоках

Ставилиследующийопыт:еслирасщепить

генов рибосомной 18 и 28S РНК,

нитьснуклеосомамимикрококковойнуклеазой,

нуклеосомная укладка исчезает полностью.

297

Глава 11

 

 

 

 

 

Упаковка ДНК в хромосомах

Рисунок 11.4

 

 

 

 

 

чувствительностью к разным

Последовательность-мишень

 

 

 

нуклеазам (Рис. 11.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расположена в определенном

 

 

 

 

Гиперчувствительныесайты,

участке нуклеосомы

 

 

 

связанные с транскрипцией, могут

 

 

 

 

 

 

образовываться под влиянием

 

 

 

 

 

 

факторовтранскрипции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можно выделить два типа

 

 

 

 

 

 

генов

ïî

организации

èõ

Мономеры ДНК образуются

 

 

 

промоторов: предустановленные

после обработки

 

 

 

 

(preset) и реконструирующиеся

микрококковой нуклеазой

 

 

 

 

 

 

(remodeling)

 

(Ðèñ.

11.6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предустановленные гены - это

 

 

 

 

 

 

такие,вкоторыхпромоторныесайты

 

 

 

 

 

 

связывания транс-действующих

 

Последовательность-мишень

факторов доступны этим факторам

 

(ò.å.

îíè

 

находятся

â

 

разрезается рестриктазой

ненуклеосомном

состоянии,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гиперчувствительном к ДНКазе I)

 

 

 

 

 

 

ещедоначалаактивациигена.Входе

 

 

 

 

 

 

активирования гена регулирующие

 

Фрагмент ДНК имеет сайт

 

факторы связываются с цис-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рестрикции в определенном

действующими регуляторными

 

положении. В результате

 

элементами и запускают процесс

 

электрофореза образуется

 

транскрипции

áåç

заметных

 

 

одна полоса

 

 

изменений

â

хроматиновой

 

 

 

 

 

 

структуре промоторного района.

 

 

 

 

 

 

Напротив, в реконструирующихся

Схема эксперимента для установления наличия

генах некторые из необходимыхдля

фазирования нуклеосом (Из: Lewin, 1994, p. 820).

 

активирования цис-действующих

Изменения структуры хроматина

 

 

регуляторных элементов упакованы

в нуклеосомы и поэтому недоступны.

улавливаютсяпослеобработкиоченьнизкими

Нуклеосомы должны переформироваться в

концентрациями ДНКазы I. После такой

ответ на активирующий сигнал, чтобы цис-

обработки образуются разрывы в участках,

элементысталибыдоступными.Врезультате

называемыхгиперчувствительнымикДНКазе

должны

появиться

 

участки,

I. В этих сайтах ДНК не организована в

гиперчувствительные к ДНК-азе. Ген hsp26

нуклеосомныеструктуры.Каждыйгенимеет

-

является

хорошим

примером

1-2 участка, чувствительных к ДНКазе I,

индуцируемого предустановленного гена

расположенных чуть выше зоны промотора.

(Рис. 11.6А). Он индуцируется в течение

В некоторых случаях промоторный

нескольких минут после начала теплового

участок

обладает

повышенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микрококковая

ДНКазаI

MspI ДНКазаI

 

ген β -глобина

 

 

 

нуклеаза

MspI

 

 

 

-300

-250

-200

-150

-100

-50

Гиперчувствительный участок гена бета-глобина кур содержит сайты, подверженные перевариванию несколькими нуклеазами (Из: Lewin, 1994, p. 829).

298

Упаковка ДНК в хромосомах

 

 

 

 

 

 

 

Глава 11

Рисунок 11.6

 

 

 

 

 

 

GAGA-факторомвсистемеinvitro

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

и выявляются на футпринтах in

À

hsp26

 

 

 

 

 

 

vivo. РНК-полимераза II занимает

HSE

 

 

HSE

TATA

 

участок

äî

+25

è

äàæå

 

 

 

 

 

RNA Pol II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GAGA

GAGA

 

 

транскрибирует

 

короткую

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

молекулу РНК. Однако после

 

 

 

 

 

 

 

 

этого РНК-полимераза делает

 

 

 

 

 

 

 

 

RNA Pol II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

паузу. После индукции гена

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

тепловым шоком белок HSF

 

hsp70

 

 

 

 

TATA

 

связывается с элементом HSE и

 

 

 

GAGA

GAGA

 

РНК-полимераза II двигается с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RNA Pol II

 

 

HSE

HSE

 

HSE

HSE

 

 

участка паузы. Каких-либо

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

изменений в структуре хроматина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RNA Pol II

промотора

íå

происходит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Похожим образом организован

Á

MMTV LTR

 

 

 

+1

 

ãåí hsp70 (Ðèñ. 11.6À).

 

 

 

 

 

У функционирующего в

 

 

NF1

 

 

 

 

 

 

 

 

клетках млекопитающих гена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GREs TATA

 

MMTV LTR впромоторномрайоне

 

 

 

 

 

 

 

находится 6 нуклеосом (Рис.

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

RNA Pol II

11.6Á.).

Â

õîäå

индукции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нуклеосома, расположенная в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

участке, с которым связываются

 

PHO5

 

 

 

 

+1

 

индуцирующиефакторыGRиNF1,

 

 

 

 

PHO4

TATA

 

 

 

 

 

 

 

 

изменяется,

îí

становится

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PHO2 PHO4

 

 

гиперчувствительнымкДНКазеI,и

 

 

 

 

+1

 

белок NF1 начинает связываться с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RNA Pol II

 

регуляторным участком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У дрожжей промоторный

Структура промотора и нуклеосомная укладка (Из: Wallrath

район гена PHO5 упакован в 6

et al., 1994) А - предустановленный и Б -

нуклеосом. В зоне образования

реконструирующийся гены. hsp26 и hsp70 - гены белков

второй нуклеосомы от участка

теплового

шока, PHO5 и MMTV LTR гены дрожжей и

началатранскрипции,расположен

млекопитающих,

соответсвенно. Зеленые круги

сайтсвязываниярегулятораPHO4.

представляют собой постоянные нуклеосомы. Круги с

Есть слабый участок связывания

косой штриховкой - нуклеосомы, расположенные ниже

с PHO4 между второй и третьей

точки начала транскрипции. Желтые круги -

нуклеосомой. В присутствии

переформирующиеся нуклеосомы в регуляторной области

фосфата происходит активация

генов. Цис - действующие регуляторные элементы

гена, во время которой 4

изображены прямоугольниками и кружками. Участки,

нуклеосомы реконструируются

связавшие транс-активаторы, изображены черным.

(ñì. Ðèñ. 11.6Á.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шока. До индукции в регуляторном участке

 

 

 

 

 

 

 

ãåíà

находятся

äâà

участка,

Литература к разделу 11.1.

гиперчувствительных к ДНКазе-I. Они

Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K.,

локализованы в двух районах HSE. Рядом с

Watson J.D. Molecular biology of the cell

ними расположены тракты из C и T остатков

(Third edition) Garland Publishing Inc. New

(GAGA

район),

непосредственно

York, London, 346, 1994.

 

 

 

примыкающих к HSE. Они связываются с

 

 

 

 

 

 

 

299

Глава 11

 

 

Упаковка ДНК в хромосомах

 

 

 

 

 

 

 

Gatti M., Smith D.A., Baker B.S. A gene controlling

сближенных нуклеомеров и образует

30-

condensation of heterochromatin in Drosophila

нанометровуюфибриллуДНП.Третийуровень

melanogaster.Science 221: 83-85,1983.

- хромомерный: петли фибрилл ДНП,

Lewin B. Genes V. Oxford, New York, Tokyo; Oxford

объедин¸нные скрепками из негистоновых

UniversityPress,797-831,1994.

 

белков, образуют компактные тела (0,1 - 0,2

Russell, P.J. Genetics Fifth edition. Addison Wesley

ìêì),

которые

 

ïðè

искусственной

Longman, Ins, Menlo Park, California, 330-

деконденсациидадутрозетковидныеструктуры.

331, 1998.

 

 

Расположениепетлевыхдоменов,хромомеров,

WallrathL.L.,LuQ.,GranokH.,ElginS.C.R.Architectural

variationsofinducibleeukarioticpromoters:present

может быть неравномерным: участки тела

andremodelingchromatinstructures.BioEssays16:

митотическойхромосомы,обогащенныеими,

165-170, 1994.

 

могут

соответствовать

полосам

 

ïðè

WolffeA.P.,PrussD.Deviantnucleosomes:thefunctional

дифференциальной окраске хромосомы.

specializationofchromatin.TrendsinGenetics12:

Четв¸ртый уровень - хромонемный:

58-62, 1996.

 

сближенные в линейном порядке хромомеры

11.2. Наднуклеосомная укладка

образуюттолстые(0.1-0.2мкм)нити,которые

можноуженаблюдатьивсветовоммикроскопе.

ÄÍÊ

 

 

Характерупаковкиэтойнитивтелехроматиды

 

Табл.11.1даетпредставленияотом,как

ещ¸ недостаточно

выяснен: возможна

упакованаДНКвразличныхядерныхструктурах.

спиральная укладка хромонемы, но не

По-видимому, процесс компактизации

исключено образование ею и ещ¸ одного

ДНК,приводящийвконцеконцовкпостроению

уровня петлевых структур. Конечно, такая

плотного тела митотической хромосомы,

общая схема организации митотических

проходитчерезнесколькоструктурныхуровней

хромосомоченьнеполноотражаетособенности

(Рис.11.7а, б).Первыйуровень-нуклеосомный

строенияихспециализированныхучастков,таких

- обеспечивает сверхскручивание ДНК по

как ядрышковый организатор, теломеры и

поверхностигистоновойсердцевины.Второй-

центомеры.

 

 

 

 

 

 

нуклеомерный (сверхбусина), где ид¸т

 

В заключение этого обзора можно

объединение6 нуклеосомвглобулу.Таккаквсе

прийти к выводу, что при изучении

эти уровни компактизации происходят на

ультраструктуры хромосом исследователи

огромных линейных молекулах ДНК, то ряд

сталкиваютсяспарадоксальнойситуацией:чем

Таблица 11.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Укладка ДНК, содержащейся в геноме дрозофилы, в различных ядерных структурах (Из:

Жимулев, 1992, стр. 235).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент упаковки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура

Длина (мкм)

по отношению

 

 

исходной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к предыдущему

 

 

 

 

 

 

 

 

молекулы ДНК

 

 

 

 

 

уровню

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДНК в геноме

35-56000

 

-

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нуклеосома (нить

-

 

5-7

 

 

 

5-7

 

 

диаметром 10 нм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нуклеомер (нить

-

 

5-7

 

 

25-49

 

 

диаметром 25-30 нм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Политенные хромосомы

765-1150

1.2-1.5

 

 

30-73

 

 

 

(эухроматиновая часть)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метафазная хромосома

7.5

90-210

 

 

6300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

300

Упаковка ДНК в хромосомах

 

Глава 11

 

 

ближе мы подходим к высшим структурным

скаффолдом, называются SAR (scaffold

уровняморганизациимитотическиххромосом,

attachment regions). На Рис. 11.9 показана

тем меньшей по объ¸му и более низкой по

схема образования петель, основания

над¸жности становится информация об этой

которых погружены в скаффолд из

важнейшейклеточнойструктуре.Б о л ь ш и м

негистоновых белков.

 

шагом

в моделировании структуры

В интерфазном ядре такие петли

метафазной хромосомы оказалось изучение

связаны с нитчато-сетчатым белковым

структуры хроматина после удаления

образованием, расположенным внутри

гистонов из хромосом обработкой 2M NACl.

ядерной оболочки и называемым ядерным

В таких случаях удаляются все гистоны и

матриксом. Для выделения фрагментов

большая часть негистоновых белков. После

ДНК, к которым прикрепляются белки

этой обработки на месте метафазной

матрикса (их называют MAR-matrix

хромосомы остается остов (scaffold) из

attachment regions), используют следующие

негистоновых белков, из которого выходят

процедуры:

 

и распределяются в виде гало петлеобразные

1. выделяют клеточные ядра.

 

нити ДНК длиной 10-30 нм (Рис. 11.8).

2.экстрагируютгистоны.

 

Центральный скаффолд сохраняет

3.ЗатемдеградируютДНКрестриктазамиили

очертания метафазной хромосомы, даже

ДНКазой.

 

после

полного переваривания ДНК

4. Из оставшихся ДНК-белковых комплексов

нуклеазами.Петли,выходящиеизскаффолда,

выделяютДНКианализируют.

 

часто называют “петлевыми доменами”.

Если обработать ДНКазой препараты

Одна из хромосом средних размеров у

хромосом с петлями, то можно получить

человека имеет около 2000 петлевых

белковые остовы и анализировать их состав.

доменов. Участки ДНК, связанные со

Оказалось, что в них присутствует около 20

 

 

 

Рисунок 11.7

 

 

à

á

Двойная

2 íì

 

 

спираль

 

 

 

 

 

ÄÍÊ

 

Схема различных уровней компактизации хроматина.

а - 1 - нуклеосомный, 2 - нуклеомерный, 3 - хромомер, петлевой домен, 4 - хромонема, 5 - хроматида (Из: Ченцов, 1996).

б - размеры хромосомных фибрилл (Из: Russell, 1998, p. 333).

11 íì

“Áóñû íà íèòè”

Хроматиновая

30 íì

фибрилла

 

Вытянутые

 

петли

300 íì

Компактные

700 íì

петли

 

Метафазная

1400 íì

хромосома

 

301

Глава 11

Упаковка ДНК в хромосомах

 

 

Рисунок 11.8

Латеральные петли ДНК (1) и осевые компоненты - скаффолд (2) метафазной хромосомы после полного удаления гистонов (Фото любезно предоставлено У. Леммли).

видов белков негистоновой природы, сходных с белками интерфазного ядерного матрикса. Две фракции белков, с молекулярной массой 170 и 135 кДа, являются преобладающими. Белок 135 кДа является топоизомеразой II.

В последнее время получены данные, говорящие о том что скаффолды могут представлять собой артефакт, получившийся в результате монтажа и высушивания дегистонизированныххромосомнаподложке. Действительно, в теле хромосомы есть негистоновыебелковыескрепки,сшивающие основаниябоковыхпетельДНК,ноэтисвязки разбросаны рыхло по объему хромосомы.

Аргументы против существования петель in vivo:

1.Скаффолды формируются только в экспериментальных условиях и реальное существованиеихвнативныххромосомахне продемонстрировано.

2.Если скаффолд играет важную роль в организации каждой хромосомы, его морфология и структура должны быть неизменными, чего не наблюдают.

Рисунок 11.9

 

à

á

Две модели закрепления оснований петель в

ядерном матриксе. а - простейшая модель,

предполагающая, что петли разделены

участками MAR, состоящими из относительно

коротких фрагментов ДНК, погруженных в

ядерный матрикс. б - модель, постулирующая,

что петлевые районы относительно длинные.

Черными кружками обозначены районы,

непосредственновзаимодействующиесбелками

матрикса.(Из:Razin,1995,p.431).

3.В метафазных хромосомах, окрашенных на белки, скаффолд не обнаружен.

4.Если хромосомы несколько диспергируютсяпередтемкакбудутудалены гистоны, скаффолд впоследствии не образуется.

Как уже указывалось выше, при разных способах депротеинизации кроме петель на

302

Упаковка ДНК в хромосомах

Глава 11

 

 

периферии набухших хромосом можно выявить и розеткоподобные подобные структуры, состоящие из ДНК. Так, во время распластывания метафазных хромосом образуются розетки, составленные из многихпетель,выходящихизобщегоцентра. Многочисленные розетки соединены межрозеточной ДНК. Средняя общая длина петель на одну розетку, образуемую в хромосомах китайского хомячка, составляет 14 м, средняя длина межрозеточной ДНК - 4,2 м и среднее число петель в одной розетке - около 20.

Каковы отношения между хромосомным скаффолдом в делящихся клеткахиядернымматриксомвинтерфазных клетках?Одниитежелипоследовательности ДНК участвуют в связывании с белками скафолда и матрикса?

В ряде случаев одни и те же фрагменты ДНК входят и в скаффолд, и в ядерный матрикс. Ядерный матрикс и хромосомный скаффолд состоят из разных белков, хотя есть и общие компоненты. Например, топоизомераза II является основным компонентом хромосомного скаффолда, одновременно входит и в ядерный матрикс.

Неожиданной чертой MAR является отсутствие в них консервативных последовательностей. Они обычно на 70% состоятизATнуклеотидов,нонеимеюткакихлибо консенсусных последовательностей, исключаясайтраспознаваниятопоизомеразой II.

Вопрос о соответствии петель хромомерам политенных хромосом также не решен. Длины ДНК, составляющей хромомер политенной хромосомы у дрозофилы, достаточно для формирования от 1 до 16 петель.

В результате картирования сайтов связывания с белками скаффолда в пределах 320 т.п.н. клонированной области 3R хромосомы дрозофилы размером, между SAR-сайтами выявлено пять фрагментов ДНК, размеры которых различны: 78, 43, 112, 26 и 62 т.п.н. Число генов, картированных в пределах каждой петли,варьирует от 1 до 8.

Ядерная ламина представляет собой белковый каркас 25-100нм толщиной, состоящей из промежуточных филаментподобных фибрилл, которые выстилают внутреннюю поверхность ядерной оболочки и таким образом ограничивают нуклеоплазму.Считается,чтоядернаяламина несетнасебефункциюскелетнойподдержки ядерной оболочки, обеспечивая тем самым целостность интерфазного ядра (Рис. 11.10).

Масса хроматина, занимая большую часть ядерного объема, соединяется с какими-то участками ядерной ламины.

Во время митоза ядерная оболочка разрушается, превращаясь в маленькие пузырьки,аламинадиссоциируетнабелковые субьединицы. В поздней телофазе ламина окружает деконденсирующийся хроматин, затем этот комплекс окружается

Рисунок 11.10

Наружная мембрана Цитозоль

Ïîðà

 

Внутренняя мембрана

 

Ламина

Ламина

Нуклеоплазма

 

Участок ядерной оболочки с порой и двумя ламинами.

303

Глава 11

Упаковка ДНК в хромосомах

 

 

мембранными пузырьками, из которых

 

Рисунок 11.11

восстанавливается ядерная оболочка.

 

Основным компонентом ядерной

 

ламины, являются белки, называемые

 

ламинами. Эти белки в некоторых случаях

 

специфично связываются с хроматином, а

 

также с SAR и MAR-ДНК.

 

Литература к разделу 11.2.

Георгиев Г.П. Гены высших организмов и их экспрессия. Москва, Наука, 83-140, 1989.

Жимулев И.Ф. Политенные хромосомы: морфология и структура. Новосибирск, Наука, 231-245, 1992.

Ченцов Ю.С. Современные представления о строении митотических хромосом.

Соросовский образовательный журнал 8: 14-22, 1996.

Berezney R., Jeon, K.W. (editors). Nuclear matrix: structural and functional organization. SanDiego, London, Boston, New York, Academic Press, 1-471, 1995.

Lewin B. Genes V. Oxford, New York, Tokyo; Oxford

UniversityPress,46-48, 776-778,1994.

Razin S.V. Specificity and functional siguificance of DNA interaction with the nuclear matrix: new approaches to clarify the old questions. Intern. Rev. Cytol. 162B: 405-449, 1995.

11.3. Хромомерная организация

 

 

хромосом

 

 

à á â

В конце 19-го века ряд исследователей

Хромомерный рисунок одной из хромосом

(E.G. Balbiani, W. Pfitzner, W. Flemming) (ñì.

 

Agapanthus umbellatus в пахитене мейоза (а),

Вильсон,1936)нашли,чтохромосомнаянить

 

средней профазе II (б) и средне-поздней

 

профазе митоза (в) (Из: Lima-de-Faria, 1954,

на стадии профазы митоза содержит ряд

 

1975, в кн. Жимул¸в, 1994, стр. 13).

небольшихсильноокрашивающихсятелец,или

 

 

определенныйрисунок,строгофиксированный

хромомеров, различающихся по размерам и

форме.Впрофаземейозарисунокхромомеров

наследственно.

в гомологичных хромосомах полностью

 

Только в профазе митоза и мейоза

 

 

симметричен (Рис. 11.11).

 

(лептотена и пахитена) хромосомы имеют

 

 

 

“Каждоехроматиновоезернышкоодной

хромомернуюорганизациюувсехэукариот,на

нити имеет двойника в другой и нет хотя бы

другихстадияхклеточногоциклахромомеры

малейшейособенностиоднойнити,котораяне

увидеть трудно. Идеи о том, что хромомеры

повторялась бы в точности у ее спутника”

(или гранулярность хромосомной нити)

(Вильсон, 1936, стр. 799). Различаясь между

существуютивинтерфазныхядрах,вкоторых

собойповеличине,форме,содержаниюДНК

индивидуальные хромосомы не опознаются,

и положению в хромосоме, хромомеры

развивалеще В.Флеминг в 1882 г.

обладают

отчетливо

выраженной

Наиболее выраженные хромомеры

 

 

индивидуальностьюипридаютхромосомным

встречаются в политенных хромосомах и

нитямиотдельнымихучасткампостоянныйи

хромосомахтипа“ламповыхклеток”.Х.Бауэр

304

Упаковка ДНК в хромосомах

Глава 11

 

 

(H. Bauer) в 1935 году предложил, что диски политенных хромосом образуются за счет бокового слияния хромомеров в параллельно расположенных хроматидах. (Рис. 11.12)

У. Дюрие в 1941 году описал хромомеры в хромосомах типа “ламповых щеток”,которыенаходятвпервичныхооцитах (профаза, по-видимому, диплотена) многих позвоночных и некоторых беспозвоночных (Рис. 11.13).

От хромомеров отходят боковые петли, в результате чего хромосома выглядит как ершикдлячисткикеросиновыхламп,поэтому ихиназывают“хромосомамитипаламповых щеток” - lampbrush chromosomes. В целом, у амфибийкартиныхромомероввхромосомах этоготипаотпрепаратакпрепаратуодинаковы. Число хромомеров в кариотипах у разных видовсаламандрварьируетвпределахот4до

10тысяч.

Âрезультате всех этих исследований в начале 1970-x годов сформировалось представление о едином типе организации хромосом - хромомерном. Однако современные данные о хромомере не свидетельствуют об универсальности этого понятия.

Два свойства являются общими для хромомеровразличныхтипов:во-первых, все они представляют собой отрезки компактизованной ДНК, во-вторых, число и рисунок хромомеров у данного организма постоянны на данной стадии клеточного цикла.

Если разбирать признаки, отличающие хромомерыразныхтиповдруготдруга,тоих значительно больше:

Рисунок 11.12

Схема образования поперечных дисков в политенных хромосомах (Из: Гершензон, 1983, стр. 93).

1.В то время как хромомеры мейотических хромосом находят в клетках зародышевого пути, хромомеры, например, политенных хромосом - в клетках соматических. В онтогенетическом смысле слюнныежелезыявляютсяконечнымэтапом дифференцировки, в то время как мейотические клетки дают начало новым клеточным поколениям.

2.Число хромомеров существенно варьирует в разных типах тканей (см. Рис. 11.7). Так, у Agapanthus umbellatus в

пахитенных хромосомах находят 1600 хромомеров, а в профазе II мейоза - 239, у

Ornithogalum virens в пахитене - 274, в профазе митоза в клетках пыльцы-67.Такие различия в числе компактных участков хроматина связаны с тем, что хромосомы из клеток, находящихся на разных стадиях клеточного цикла, имеют соответственно разную степень компактизации. Если хромомеры, слагающие диски максимально декомпактизованныхинтерфазныхполитенных хромосом, представляют наиболее короткие фрагменты геномной ДНК, то хромомеры профазы мейоза или митоза формируются за счет более обширной компактизации материала, видимо, слияния интерфазных

Рисунок 11.13

Хромомеры с отходящими от них петлями в биваленте хромосомы XII у тритона Triturus cristatus karelinii (Из: Callan, 1963, в кн. Жимулев, 1994, стр. 12).

305

Соседние файлы в папке Генетика (Жимулев)